Trikalsiyum alüminat

Fotoğraf 4.6. Trikalsiyum alüminat, 15/7,20X, parlak kesit // N. 4.3 Ono Yöntemi ve Uygulamaları

Çimento üretim teknolojisine Ono‘nun (1980a) en önemli katkısı; polarize ıĢık mikroskobu kullanarak çimento kalitesinin belirlenmesi olmuĢtur. Bu yöntem polarize ıĢık mikroskobu ile birlikte diğer test ve cihazlardan elde edilen verilerin fırın koĢullarının kontrol edilmesi esasına dayanır. Klinker ve çimentodan alınan numuneler ile, polarize ve ıĢık mikroskobuyla yapılan çalıĢmalarda, çimento üretiminin an ve an takip edilebileceği belirlenmiĢtir (Campbell, 1999).

Yapılan çalıĢmalarda iri kuvarsın yanma zorluğuna ve az oranda alkali ve magnezyum oksittin sinterleĢmedeki mineral oluĢumuna etkili olduğu gözlenmiĢtir. Farin malzemesinin döner fırında 20 dakika 1380 0C sıcaklıkta yakılması ile paralel lamelli çift belit kristalinin ve 1430 0C sıcaklıkta piĢirilmesi ile çok yönlü belit kristalin oluĢumunun karakteristik olduğu gözlenmiĢtir.

Ono (1981) yapmıĢ olduğu mikroskobik çalıĢmalarında portland çimento klinkerinin kristal yapısı ve faz değiĢim kimyalarının hammadde inceliğine, karıĢtırma ve ısıtma

47

hızına bağlı olduğu tespitinde bulunmuĢtur. Belit mineralinin yönelimlerini XRD ve ayrıntılı mineralojik çalıĢmalarla belirlenmiĢtir.

Ono (1981) doktora tezi çalıĢmasında portland çimento klinkeri üretiminde alit ve belit mineralinin faz değiĢimlerini mikroskobik olarak incelemiĢtir. Farine fazla kuvars minerali eklenmesi ile alit mineralinin daha da büyüdüğünü tespit etmiĢtir. ÇalıĢmalarında kalsit, kil, silis ve bakır cürufu içeren farinin XRD ve cevher mikroskobuyla inceleyerek sinterleĢme sırasında kimyasal reaksiyonlar dizisini tespit etmiĢtir.

Belitin polimorfik çeĢitleri ve alitin morfolojik değiĢimleri döner fırının; yanma koĢullarına, ısıtma hızına, maksimum sıcaklığına, yüksek sıcaklık süresinin uzunluğu ve soğutma oranı ile iliĢkili olduğu belirlenmiĢtir. Bu parametreler, 28 günlük harç-küp dayanımının tespitinde kullanılmıĢtır.

Ġnce öğütülmüĢ farinin 1200–1300 OC sıcaklık aralığında uzun süre piĢirilmesi sonucu 100–200 µm boyutlarında iri granüllü, gözenekli toz klinker meydana geldiği belirlenmiĢtir. Buna ek olarak; sıcaklığın 1500 OC ye yükselmesiyle hammaddenin beyazdan pembe, sarı, kahverengi ve griye doğru ilerlediği mineralojik renklerinin değiĢim gösterdiği gözlenmiĢtir. Ferrit mineralinin kristal yapısı klinkerin yavaĢ soğutulmasıyla eğrelti otuna, hızlı soğutulmasıyla bambu yaprağına benzediği tespit edilmiĢtir.

Ono en önemli yayınını Kawamura ve Soda ile birlikte yazmıĢ ve Tokyo Çimento Kimyası BeĢinci Uluslararası Sempozyumu'nda sunmuĢlardır. Burada alit ve belitin optik özelliklerinin klinkerin yanma koĢullarının etkilediği tespitinde bulunmuĢlardır. Normal ve çabuk sertleĢen portland çimentosu 1200 o

C ye kadar dakikada 17-20 ^oC soğuma hızıyla oluĢacağını belirlemiĢlerdir. Böylece uluslararası kamuoyunda cevher mikroskobu ile fırın kontrolü yapılabileceği dikkatleri çekmiĢtir.

Dallas Uluslararası Çimento Mikroskopi Derneği (ICMA), Teksas' ta ve yaklaĢık aynı zamanda gerçekleĢen Portland Çimento Birliği (PCA) Genel Teknik Komitesi Skokie'de 1980 yılındaki toplantısında Ono alitin kristal boyu ile ısıtma hızı arasındaki iliĢkiyi anlatan bir sunum gerçekleĢtirdi. Buna göre büyük kristalli alitin uzun süre

48

yüksek sıcaklıkta değil yavaĢ ısıtma ile oluĢacağını belirtmiĢtir. Fırının maksimum yanma sıcaklığını belirlemek için alitin cilalı yüzeyinin asitlerle ‗aĢındırma derecesi‘ üzerinden renk değiĢim hızını ve cilalanma derecesinin takibi yapılması gerektiğini belirtmiĢtir. Ono klinkerin soğutma hızını belirlemek için belit kristalinin renginin gözlemlenmesi gerektiğini belirtmiĢtir.

Ono (1981) yılında fırın uzunluğu boyunca farin beslemelerinin mikroskobik değiĢikliklerini ısı değiĢimi ve faz değiĢimine göre açıklamıĢtır. Buna ek olarak farklı alev uzunlukları ve ocağı yakma koĢullarına göre klinker özellikleri tanımlanmıĢtır.

Mikroskobik verilere göre 28 günlük harç dayanımı için aĢağıdaki denklemi vermiĢtir.

28 günlük dayanımı = 25,309 + 0,513 (AS) + 2,027 (AB) + 0,334 (BS) + 2,179 (BC) (4.1)

AS = alit boyutu (ısınma hızı) AB = alit çift kırma (max sıcaklık) BS = belit boyutu (yanma süresi) BC = belit renk (sağuma hızı) Standart sapma 1.69 MPa (230 psi)

Alit mineralinin çift kırma indisi XRD yöntemi kullanılarak, mineralin kristal kafes yönelimleri (a,b,c), birim hücre hacmi (V) dikkate alınarak incelenmiĢtir. Yüksek çift kırma indisine sahip alit mineralinin a kenarı uzun b ve c kenarının kısa, birim hücre hacminin (V) düĢük ve (a/b)2

oranın büyük olduğu tespit etmiĢtir. Laboratuar koĢullarında uzun süre yüksek sıcaklıkta yanarak hazırlanmıĢ alitin düĢük birim hücre hacmi (V), uzun (a/b)² ve yüksek çift kırma indisi olduğunu tespit etmiĢtir. Bu nedenle klinkerin kalite kontrolü tespitinde XRD yöntemi mikroskop yöntemi gibi kullanılabileceği tespit edilmiĢtir.

Ono (1980c), klinker oluĢumunu 5000 t/g ve 100 m uzunluğunda döner fırın içinde ısı dağılımına göre fırın içindeki klinkerin mikroskobik karĢılaĢtırmalarına göre üç

49

bölgeye ayırmıĢtır. Bunlar: dekarbonatlaĢma zonu, geçiĢ zonu, yanma zonu olarak isimlendirmiĢtir. GeçiĢ ve yanma zonunda malzeme akıĢ hızı 2 m/dk.‘dır. Bu zonlarda malzeme sırasıyla 3,5 ve 10 dakika bekletilirler. 1000–1500 0C ye kadarki sıcaklık aralığında CaCO3 ün CO2, C2S ve C3S dönüĢümü tarif edilmektedir. 1450 0C üzeri sıcaklıkta 10 metrelik mesafede klinkeri tutma süresi yaklaĢık 5 dakikadır. Bu gözlemlerde dikkat çeken özellikler alit mineralinin kristalleĢmesi (10–15 µm) ve ilk alit kristalinin büyüme (30–60µm) sıcaklık aralığı 1400–1500 0C gerçekleĢtiği ve gene aynı sıcaklıkta belit yığıĢımlarında çözülme ve dağılma ile C2S kristallerinin 20–30 µm boyutlarında büyümesidir. Sonuç olarak yüksek ısıda tutma zamanı alitin kristal boyutu ve belitin dağılma aralığındaki iliĢkisi belirlenmiĢtir. Büyük döner fırınların hareketi sırasında malzemeye basınç ve fiziksel darbe uygulanması fırında kaba hammaddelerin yanmasını kolaylaĢtırır (Campbell, 1999).

Ono' nun (1981) geliĢtirmiĢ olduğu yönteme göre fırın koĢullarının değerlendirmesi klinker gözlemlerine ve çimentonun mikroskopta incelenmesiyle belirlenir. Bu değerlendirme polarize ıĢık mikroskobuyla ve yaklaĢık 400X büyütmeyle incelenir. Buna göre klinker veya çimento tozu 100µm mikrona kadar elenmiĢ ve kırılma indisi 1.705– 1.715 aralığında sıvıyla hazırlanmıĢ örnekle incelenir. Bu yöntemin önemli bir yanı üretim sırasında az miktar örnek ile fırın koĢullarına hızlı müdahale edilebilmesidir. Böylece uygun üretim koĢulları gerçekleĢtirilir.

Bu tekniğe göre fırın koĢulları ve mikroskobik parametreler arasındaki iliĢki aĢağıdaki gibidir (ġekil 4.4).

50

ġekil 4.4. ġematik sıcaklık-zaman iliĢkisi. Ono (1980c)

1. Isıtma hızı (alit boyutu, AS)

2. Yüksek sıcaklıkta yanma süresi (belit boyutu BS) 3. Maksimum sıcaklık (alit çift kırması, AB) 4. Soğutma hızı (belit rengi, BC)

Bu yöntemle parlak kesit ve ince kesit örnekleri mikroskobik tekniklerle düzenli olarak kontrol edilebilir. Çizelge 4.2. ve ġekil 4.4. 'de verilmiĢtir.

51

Çizelge 4.2. Alit ve belitin yanma koĢullarında mikroskobik karakterleri (Ono, 1981)

Yanma KoĢulu Hidrolik Faaliyet 4 Çok Ġyi 3 Ġyi 2 Orta 1 Kötü Isıtma Hızı Alitbüyüklüğü(µm) Hızlı 15 -20 - 20-30 - 30-40 YavaĢ 40-60 Maksimum Sıcaklık Alitin çiftkırma indisi Yüksek 0.010 – 0.008 - 0.007-0.006 - 0.006-0.005 DüĢük 0.005-0.002 Yanma Süresi Belit Büyüklüğü (µm) Uzun 25-40 - 20-25 - 15-20 Kısa 5-10 Soğutma Hızı Belit Rengi

Berrak Soluk sarı Sarı Kehribar

YaklaĢık 0,5 kg ağırlığında bir klinker örneği çimento inceliğine kadar öğütülür ve küçük bir kısmı spatula ile lam üzerine yerleĢtirilir. Daha sonra lamelle kapatılarak kırılma indisi bilinen (1,705–1,715) birkaç damla sıvı damlatılır. Hazırlanan örnek 400X kadar büyütmeli, dereceli ve dönebilen analizöre sahip polarizan ıĢık mikroskobunda incelenir. Böylece hazırlanan numuneler saatlik periyotlarda bile incelenebilir (Campbell, 1999).

4.3.1 Alit boyutu (AS)

Ono' nun (1981) yönteminde Alit boyutu, en sık görülen alit kristal uzunluğunu ifade eder. Alit kristallerini içeren klinker partikülleri kalibre edilmiĢ bir ölçekli mercek ile en sık görülen kristal boyutları uzunlukları göz önüne alınır. YaklaĢık belirlenen on alit boyutunun ortalaması alınarak belirlenir Ono'ya (1980a) göre alit boyutu yanma hızı ve kristalizasyon hızına bağlıdır. Kısa alevde hızlı piĢen malzeme küçük alit kristallerini oluĢturur. Uzun alevde yavaĢ yanma sonucu büyük alit kristalleri oluĢur. Fırının boĢaltma ucu yakınında sıcaklık değiĢimi 1400°C- 1000 °C arasındadır. Bu durumda küçük boyutlu ve kötü yanmıĢ klinkerler oluĢur. 1000 ton günlük üretimi olan fırında alit boyutu 15 µm ve altında olması fakir yanma göstergesidir.

52

Laboratuvar ortamında hazırlanan parlak kesit ve ince kesit klinker numuneleri polarizan mikroskobunda incelemelerde bulunulmuĢtur. Alit minerali boyutunun belirlenmesinde aynı fırında piĢen aynı klinkerden alınan, 2 parlak kesit ve 2 ince kesit numuneleri olmak üzere 4 kesit incelenmiĢtir. Alit minerali boyutu en sık görülen minerallerden seçilmiĢtir, yani çok büyük ve çok küçük alit mineralleri göz ardı edilmiĢtir. En sık görülen 10 alit mineralinin uzunlukları ortalaması alınarak bir değer elde edilmiĢtir. 7/7 ve 14/7 nolu klinker örnekleri ince kesit olarak 18/6 ve 15/7 nolu numuneler ise parlak kesit olarak incelenmiĢtir. 14/7 nolu ince kesit 10X büyütmeli objektifte ve 7/7 nolu ince kesit 20X büyütmeli objektifte, 18/6 nolu parlak kesit numunesi 50X büyütmeli objektifte ve 15/7 nolu numune 20X büyütmeli objektifte incelenmiĢtir. Her örnek için 10 adet alit minerali boyutunun ortalaması alınmıĢ olup hazırlana dört numune içinde aynı iĢlemler yapılıp değerler toplanıp dörde bölünmek suretiyle ortalaması alınmıĢ ve 29,25 mikron bulunmuĢtur. Bu değer Ono' nun hazırladığı çizelgede (Çizelge 4.2.) ısınma hızının 3 olarak değerlendirildiği tespitinde bulunulmuĢtur (Foto 4.3, 4 ve 5; 4.7).